ВЫПУСК №20  17.01.2001

Комментарий даётся в квадратных скобках красным и, местами, синим цветом.

Сорохтин О.Г.*, Ушаков С.А.**
* Институт океанологии РАН, г.Москва
** Музей землеведения МГУ, г.Москва

В последние годы резко возрос интерес к проблеме парникового эффекта на Земле, особенно к последствиям антропогенного выброса в атмосферу газов, поглощающих инфракрасное излучение (ИК) и, прежде всего, углекислого газа - продукта сжигания угля, углеводородного топлива и производства цемента. При этом обычно прогнозируются печальные последствия для климата нашей планеты: его резкое потепление и, как следствие этого, таяние ледниковых покровов, повышение уровня Мирового океана с затоплением густо населенных прибрежных регионов суши. Опасения аналогичных катастрофических явлений и давления экологических организаций заставляют Правительства разных стран выделять огромные средства на борьбу с последствиями потепления климата, якобы связанного с антропогенными выбросами в атмосферу "парниковых газов". А насколько справедливы эти расходы? Не ведем ли мы борьбу с "ветряными мельницами"?

Сторонники "классического" подхода к проблеме парникового эффекта исходят из идеи С. Аррениуса о прогреве атмосферы за счет поглощения ею инфракрасного излучения и представления, что передача тепла в тропосфере происходит в основном радиационным путем [1, 2, 5]. Однако в тропосферах плотных атмосфер (с давлением, большим 0,2 атм.) всегда доминирует конвективный вынос тепла. [Путаница в словах: "Вынос" тепла из тропосферы происходит радиационным путём, а перенос тепла внутри тропосферы - конвективным.]  Отсюда следует необходимость рассматривать процесс прогрева воздуха в тропосфере с точки зрения адиабатической теории парникового эффекта. [Никакой необходимости в этом нет. Современные радиационно-конвективные модели правильно учитывают конвективный механизм переноса тепла в тропосфере.]   Первое приближение такой теории было разработано нами и опубликовано в периодической печати [7- 9]. Здесь мы дадим следующее приближение адиабатической теории, частично уже изложенной в нашей предыдущей работе [10]. Учитывая большую важность проблемы, горячие споры о природе парникового эффекта и далеко идущие политические решения по предотвращению негативных последствий антропогенного влияния на этот эффект, приведем здесь последовательный вывод всех основных уравнений, определяющих количественную сторону это явление. [Ни горячих, ни холодных споров о природе парникового эффекта нет. Все понимают эту природу одинаково. Или не понимают. Но от этого его природа не меняется. Поэтому изобретать что-то в области природы парникового эффекта имеет столько же смысла, сколько изобретать вечный двигатель. Что касается споров, то они ведутся не о природе эффекта, а о влиянии антропогенных факторов на климат и причинах его изменения.] Кроме того, в качестве проверки теории, приведем теоретические расчеты распределений температуры в тропосферах Земли и Венеры, а в качестве прогноза, - оценим влияние на климат Земли антропогенного выброса в атмосферу так называемых “парниковых газов”.

Для нахождения средней поверхностной температуры планеты T_s и определения зависимости распределения температуры в ее тропосфере от параметров атмосферы необходимо задаться моделью передачи тепла в атмосфере. Будем исходить из того, что на Землю падает Солнечное излучение, характеризуемое температурой абсолютно черного тела

,                                                     (1)

Для нахождения зависимости между T_s и T_bb необходимо учитывать, что температурный режим тропосферы во многом определяется сильной отрицательной обратной связью, возникающей через отражательную способность планеты - ее альбедо, которое, в свою очередь, регулируется облачным покровом тропосферы (см. рис. 1).

Действие этой обратной связи наглядно иллюстрируется простым примером. Предположим, что средняя приземная температура по тем или иным причинам повысилась. Сразу же увеличивается испарение влаги с поверхности Земли и возрастает площадь облачного покрова, а это приводит к увеличению альбедо Земли. В результате, большая доля солнечной энергии отражается в космос, а доля падающего на земную поверхность излучения, наоборот, сокращается. В результате, происходит компенсационное снижение приземной температуры, и она вновь возвращается к равновесному уровню.

Но существование сильной отрицательной обратной связи приводит к линейной зависимости выходного сигнала от входного, т.е. в этом случае T_s~ T_bb. [Из приведённого выше примера влияния альбедо на величину T_s наглядно следует как раз обратное, т.е. отсутствие какой бы то ни было связи между T_s и T_bb, поскольку T_bb НЕ зависит от величины альбедо, является величиной постоянной и потому НЕ способной компенсировать изменение температуры поверхности, происходящие по никому не известным причинам. Кроме того, связывая T_s и T_bb, мы исключаем  зависимость от альбедо и температуры земной поверхности T_s, т.е. лишаем её всякой связи с реальными условиями.]     

  Учитывая это, можно записать

Таким образом, распределение температуры в планетной тропосфере можно представить себе схемой, изображенной на рис. 1.
 

[Обратите внимание на следующее: во-первых, в системе появляется новая субстанция, которая называется "альбедо"; во-вторых, одной и той же буквой на рисунке обозначены разные параметры; в-третьих, в ящик "альбедо" входит величина +T_s, а выходит -aT_s, т.е. ящик "альбедо" поменял не только величину, но и знак эффекта; в-четвёртых, температура зависит от величины альбедо по корню четвёртой степени и эти параметры нельзя просто перемножать. Ну, и потом - в ящик "тропосфера" входят с помощью стрелок -aT_s и T_bb. Их что - складывать что ли надо или перемножать? Вся эта неразбериха возникает по простой причине - авторы выдумывают механизмы (вроде "передачи температур"), которые в природе не существуют.]     
Зная среднюю поверхностную температуру планеты T_s и давление на ее поверхности p_s, можно теперь по уравнению (2) определить и температуру на любом уровне тропосферы (при p<0,2 атм) [В действительности авторы использовали формулу (2) для расчётов при р>0,2 атм.] 

                                               (4)

                                                 (4')

                          (5)

Зависимость показателя адиабаты  от состава и влажности атмосферы находится по известным формулам

                                                        a = (g - 1)/g                                        (6)

[Вот в этом месте возможности адиабатической теории (точнее - сухоадиабатической) полностью исчерпываются. Потому что, если в адиабатической системе появляется источник тепла, то она перестаёт быть адиабатической, и выражения типа (2) и (4') для неё более неприменимы. Не говоря уж о том, что выражения (2) и (4') описывают поведение реальных молекул, а не призраков.] Для планет с атмосферами другой природы под параметром С_q следует понимать характеристику любого теплофизического или химического процесса, приводящего к выделению (или поглощению при C_q < 0) тепла в недрах тропосферы. [Да, но только не в рамках адиабатического подхода.]

В общем случае для земной атмосферы (а также и для атмосферы Венеры) можно записать

                           (8)

Оценить значение C_w можно из следующих рассуждений. Как известно, теплоемкость определяется отношением количества тепла, сообщенного телу (в нашем случае воздуху), к соответствующему повышению его температуры. При конденсации влаги во влажной тропосфере выделяется q = 595,8 кал/г тепла. При этом соответственно повышается температура воздуха и снижается вертикальный температурный градиент. В сухом воздухе градиент температуры равен 9,8 град/км, а средний по Земле градиент влажной тропосферы близок к 6,5 град/км [12]. Отсюда следует, что выделяющаяся в тропосфере теплота конденсации влаги в среднем повышает температуру воздуха на 9,8 - 6,5 = 3,3 град/км. В тропосфере над земной поверхностью обычно содержится от 2 до 3 г/см² влаги. Большая ее часть конденсируется на высотах формирования облачности, т.е. до 3 ё 5 км. Если теперь принять, что в этом деятельном слое тропосферы толщиной около 4 км концентрация влаги в среднем достигает 0,2 %, то дополнительная теплоемкость процесса конденсации влаги в современной тропосфере оказывается равной

                               (9)

 [А теперь посмотрите, как МОЖНО учесть тепловыделение при конденсации паров воды в атмосфере, НЕ нарушая законов термодинамики. И что при этом получается. Влажноадиабатический процесс разобран в книге российского классика атмосферной науки - Александра Христофоровича Хргиана (Физика атмосферы, т.I, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1978, стр. 94). там это сделано так: в правую часть  выражения для dQ (прибавка тепла), которое использовалось при анализе адиабатических условий в сухой атмосфере, добавляется член тепловыделения Ldm, где L - теплота конденсации, а dm - изменение насыщенного отношения смеси m_нас при изменении температуры на dT (m - количество килограммов пара, приходящееся на 1 кг сухого воздуха). Затем dQ приравнивается к нулю и рассматривается псевдоадиабатический процесс с источником тепла. В результате получается выражение для градиента температуры, которое имеет вид

где g - ускорение свободного падения, R - газовая постоянная, E - упругость насыщенного пара. Из этого выражения видно, что градиент температуры существенно зависит от температуры и давления, т.е. меняется с высотой, причём нелинейным образом. Так, если сухоадиабатический градиент температуры постоянен во всей тропосфере и равен 9,8 градуса на км, то влажно адиабатический градиент (или псевдоадиабатический) изменяется от 4,31 до 8,55 градуса на км при переходе от давления 1000 мбар при температуре 20⁰ С (поверхность Земли) к давлению 200 мбар при температуре -30⁰ С (высота около 7 км). Учёт тепловыделения при поглощении ИК-излучения парниковыми газами в принципе делается таким же образом, только выражение для источника тепла имеет другой вид. Понятно, что и в этом случае градиент оказывается нелинейной функцией высоты.]             

В качестве проверки нашей теории, определим теперь температуру на поверхности Венеры по выражению (5) с использованием двух параметров ее атмосферы: р = 90,9 атм. и a = 0,1726, значению ее солнечной постоянной S = 2,62·10⁶ эрг/см² ·c, но с применением характеристик земной тропосферы: S₀ = 1,37·10⁶ эрг/см² ·c; (T_s )₀ = 278,8 K; b = 1,186 атм.^-1. После подстановки всех параметров в уравнение (8), находим T_s = 735,4 K. В книге [6] приводится значение T_s = 735,3 K. [Теории тут никакой. Тут есть её видимость. С подгонкой количественных результатов к реальным с помощью "масштабных" коэффициентов, показателя адиабаты и нарушения известных законов термодинамики.]  

Выражения (4) и (5) позволяют определять температуру на любом уровне тропосферы с давлением р < 0,2 атм. Это позволяет нам значительно усилить проверку адиабатической теории парникового эффекта, выполнив сравнение теоретических распределений температуры в тропосферах Земли и Венеры с моделью стандартной атмосферы Земли и с эмпирическими данными по Венере, приведенными в книге [6] (результаты такой проверки приведены в таблицах 1 и 2, а также на рис. 2).

[Нужно иметь в виду, что зависимость температуры от высоты в стандартной атмосфере Земли и Венеры не отражает никаких физических процессов, происходящих в реальной атмосфере. Принимаемая  в стандартной атмосфере линейная зависимость температуры от высоты не учитывает ни выделения тепла при конденсации паров воды, ни поглощения теплового излучения молекулами парниковых газов. Прямая линия связывает две граничные точки - осреднённую температуру земной поверхности и температуру тропопаузы. В реальной тропосфере, где имеются указанные выше источники тепла (как мы видели выше), никакой линейной зависимости нет. Поэтому получить эту стандартную линейную зависимость, можно только выбросив из рассмотрения и конденсацию, и парниковый эффект.]  

Определим теперь величину парникового эффекта. [Звучит так, как будто до этого её никто  не определял, а вот авторы придумали теорию, с помощью которой они сейчас её найдут. На самом деле приводятся всем известные оценки, правда, не понятно зачем.] Напомним, что парниковым эффектом DT называется разность между средней поверхностной температурой планеты T_s и ее радиационной (эффективной) температурой Т_е, под которой планета видна из космоса:

                                       (11)

На этом мой комментарий заканчивается. Из сказанного выше следует, что полученные авторами выражения не учитывают ни роль процессов конденсации паров воды в атмосфере, ни парниковый эффект. Поэтому дальнейшие "расчёты влияния..." не имеют никакого смысла, а следовательно и ценности.   

Убедившись в работоспособности рассматриваемой здесь теории, рассчитаем теперь в качестве примера мысленный эксперимент замены азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную, но с тем же давлением р₀ = 1 атм. Уравнение (3) можно переписать в виде

                                 (12)

Объясняются эти, казалось бы, парадоксальные результаты тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим плотных планетных тропосфер, являются давление (т.е. масса) атмосферы и ее теплоемкость. Но при одинаковых давлениях (т.е. массах) теплоемкость углекислотной атмосферы всегда меньше теплоемкости азотно-кислородной атмосферы. Иными словами, углекислотная атмосфера, подобно тонкому одеялу, хуже сохраняет тепло на поверхности планеты, по сравнению с более толстым “пуховым одеялом” азотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоемкостью.

В связи с техногенными выбросами углекислого газа в земную атмосферу происходит слабое уменьшение показателя адиабаты воздуха a, но одновременно с этим несколько увеличивается и давление. Из выражения (13), с учетом, что р_s » 1, находим

                             (14)

Из приведенных оценок следует важный практический вывод, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу фактически не меняют осредненные показатели теплового режима Земли и ее парниковый эффект. Более того, увеличение концентрации этого газа в земной атмосфере, безусловно, является полезным фактором, повышающим продуктивность сельского хозяйства и способствующим более эффективному восстановлению растительной массы в районах сведения лесов.

По-видимому, аналогичный вывод о слабом влиянии СО₂ на парниковый эффект земной атмосферы следует распространить и на другие выбросы в воздух техногенных ИК-активных примесей. При этом правда, следует учитывать, что повышение концентрации углекислого газа в земной атмосфере, как и другие техногенные источники тепла, могут приводить к некоторой интенсификации конвективного массообмена в тропосфере Земли и к соответствующему сглаживанию контрастности климатических зон между высокими и низкими широтами. Однако, учитывая, что поступающая на Землю энергия солнечной радиации, по крайней мере, на три порядка превосходит всю производимую человечеством энергию, можно ожидать, что и эти явления также будут весьма скромными.

Если же глобальный климат Земли в настоящее время все-таки действительно испытывает заметное потепление, то, скорее всего, это окажется временным явлением и причину ему надо искать в других процессах и явлениях, например, в изменениях циркуляции океанических течений. В эволюционном же плане, начиная приблизительно с середины мезозоя, происходит постепенное похолодание климата. Объясняется это удалением азота из атмосферы и связыванием его в нитратах и нитритах почвенного покрова. В результате атмосферное давление постепенно падает, а это приводит к похолоданию климата, причем сейчас такое похолодание не компенсируется даже плавным увеличением солнечной постоянной [10]. Об эволюционном похолодании климата говорят и многочисленные геологические данные. Например, полное отсутствие следов оледенений в мезозое и появление первых ледниковых покровов в середине кайнозоя (в Антарктиде), а в четвертичное время и периодических оледенений в Северном полушарии. Сейчас мы живем в межледниковый стадиал, но когда ему на смену наступит новая фаза оледенения, то следует ожидать ее повышенной суровости.

Рассматривая проблемы парникового эффекта, нельзя обойти молчанием и аргументы последователей идеи С. Аррениуса о прямом воздействии концентрации углекислого газа на температуру тропосферы и земной поверхности. Так, сторонники этих идей [1, 2, 5] обычно приводят данные по содержанию СО₂ в пробах воздуха из древних слоев фирна Гренландии и Антарктиды, показывающие, что в периоды межледниковых потеплений концентрация СО₂ в атмосфере всегда повышалась. Аналогичный эффект, только в значительно большей степени, по их мнению, наблюдался в теплые климатические эпохи, например, в меловом периоде [1]. Формально это так. Однако, при объяснении этих явлений происходит явная подмена причины следствием - ведь повышение парциального давления СО₂ в атмосфере может быть не причиной потепления климата, а только его следствием.

Объясняется это отрицательной температурной зависимостью растворимости СО₂ в океанических водах и законом Генри, устанавливающим динамическое равновесие между парциальным давлением газа в атмосфере и его содержанием в гидросфере. Сейчас в водах океанов растворено углекислого газа приблизительно в 57ё60 раз больше, чем его содержится в атмосфере. Если же за счет изменения температуры океанических вод содержание СО₂ в Мировом океане изменится, то установится новое равновесие, при котором часть углекислого газа перейдет из океана в атмосферу или, наоборот, из атмосферы в океан. Но поскольку растворимость СО₂ в воде заметно уменьшается с ростом температуры, то всегда потеплениям климата будут соответствовать увеличения парциального давления этого газа в атмосфере, а похолоданиям - снижения давления. Так, например, по нашим оценкам [8] в атмосфере “теплого” мелового периода, когда средняя температура вод Мирового океана была приблизительно на 15 °С выше современной, парциальное давление углекислого газа превышало его современный уровень приблизительно в 1,7ё2 раза. Однако такое повышение содержания углекислого газа в атмосфере мелового периода являлось естественным следствием климатических изменений того времени, а вовсе не его причиной. Истинная же причина теплого климата мелового периода была связана, вероятно, с некоторым повышением давления атмосферы в мезозое [10] (за счет усиления генерации кислорода после появления и широкого распространения тогда цветковых растений) и с дрейфом континентов. В результате, все материки тогда располагались только в низких и умеренных широтах, а теплые океанические течения проникали глубоко в высокие широты, согревая своими водами берега наиболее приближенных к полюсам континентов. Поэтому, средняя температура Земли в меловом периоде была приблизительно на 2,5 - 3 ° С выше современной, а климат - более равномерным, без ледяных шапок на полюсах.

Таким образом, было показано, что средняя температура на любом уровне достаточно плотной планетной тропосферы (с давлениями выше 200 мбар) однозначно определяется интенсивностью солнечного излучения, атмосферным давлением на этом уровне, теплоемкостью тропосферы, влажностью воздуха и его способностью поглощать инфракрасное (тепловое) излучение. Однако, чем интенсивнее происходит поглощение теплового излучения в тропосфере, тем ниже становится ее средняя приземная температура. Приведенный парадоксальный, на первый взгляд, вывод объясняется тем, что при этом снижается температурный градиент в тропосфере и возрастает интенсивность конвективного выноса тепла из тропосферы в стратосферу. Найденная закономерность позволила выполнить ряд прогнозных расчетов. Так, при мысленной замене азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную, но с тем же давлением 1 атм., средняя приземная температура понижается (а не повышается) почти на 2 ° С.  Отсюда видно, что насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им инфракрасного излучения, при прочих равных условиях, всегда приводит не к повышению, а только к понижению и парникового эффекта и средней поверхностной температуры планеты. [В таком случае почему же замена земной атмосферы на углекислотную на Венере привела не к понижению, а к росту парникового эффекта с 33 градусов до 507 градусов?]

Реакция земного климата на антропогенный выброс в атмосферу углекислого газа определяется двумя факторами: во-первых, при этом несколько повышается атмосферное давление и, во-вторых, несколько снижается значение показателя адиабаты смеси атмосферных газов. Оба эти фактора действуют в противоположных направлениях, в результате средний температурный режим тропосферы практически остается неизменным. Более того, увеличение концентрации углекислого газа в земной атмосфере оказывается полезным фактором, повышающим эффективность сельского хозяйства и увеличивающим скорость восстановления вырубленных лесов. 

Моё заключение. 

1. Для описания "стандартных" линейных температурных зависимостей в тропосферах Земли и Венеры, авторы использовали теорию адиабатических процессов, применимую только для сухой, непоглощающей ИК-излучение атмосферы. Поскольку полученный результат не сходился со "стандартным", авторы изменили параметры полученной прямой в уравнении T(z) = T₀ - az   до  полного совпадения. Таким образом из одной прямой путём подгонки получили другую. Совершенно такую же. Эту подгонку авторы сочли за проверку теории. Поясним, что теоретически линейная зависимость температуры от высоты в тропосфере получается только для сухоадиабатических процессов, не учитывающих ни роли процессов конденсации паров воды, ни роли парникового эффекта. Таким образом, получив линейную зависимость, авторы выбросили из дальнейшего рассмотрения оба эффекта (даже не догадываясь об этом).  

2. В ходе подгонки коэффициентов авторы были вынуждены открыть три новых явления природы: теплоёмкость конденсации паров воды, теплоёмкость ИК-излучения и новый парниковый эффект (охладительный, поскольку в отличие от старого, новый не греет, а охлаждает), при этом старый эффект пришлось выбросить на помойку. После этого авторы предложили плюнуть на дальнейший рост углекислого газа в атмосфере, поскольку ничего, кроме приятной (особенно летом) прохлады, этот рост не принесёт.

3. Должен огорчить авторов - открытый ими эффект принципиально невозможен. Дело в том, что при появлении в атмосфере поглощающей тепловое излучение среды, поток тепла в космос (который при всех условиях должен быть равен приходящему потоку тепла от Солнца) уменьшается. Компенсация этой убыли достигается за счёт повышения температуры поверхности Земли, получающей как раз ту добавку, которая перестала уходить в космос. Баланс потоков восстанавливается. Таков механизм существующего в природе парникового эффекта. 

Если бы появление поглощающей среды в атмосфере приводило к уменьшению температуры поверхности Земли, то баланс потоков не только не восстанавливался, но становился бы ещё больше. Что противоречит закону сохранения энергии.  

4. Полученные авторами результаты противоречат не только закону сохранения энергии, но и реальным фактам. Так, известно (в том числе и из работы авторов), что замена азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную атмосферу Венеры приводит к росту парникового эффекта с 33 градусов на Земле, до 507 градусов на Венере. Тогда как по теории авторов такая замена в земной атмосфере могла бы только понизить температуру. Более того, само наличие земного парникового эффекта в 33 градуса становится совершенно необъяснимым, поскольку влияние парниковых газов по новой теории должно только снижать поверхностную температуру. И это называется объяснением "природы парникового эффекта"!   

5. Прогнозы авторов по поводу влияния дальнейшего роста СО₂ в атмосфере на земной климат основаны на учёте только изменения суммарной теплоёмкости атмосферы, дающей мизерный эффект и не имеющей никакого отношения к реальному парниковому эффекту. 

6. Работа не представляет никакой научной ценности. Но, сбивая с толку неискушённых читателей разного уровня - от журналистов до государственных мужей, - может нанести реальный вред, имея в виду остроту проблемы глобального потепления и те (действительно горячие) споры, которые ведутся вокруг проблемы влияния антропогенных выбросов углекислого газа на климат Земли.        

1. Будыко М.И. Проблема углекислого газа. -Л. Гидрометеоиздат, 1997.-60 с.

2. Глобальное потепление: Доклад Гринпис.- М.: Изд-во МГУ, 1993.- 272 с.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика, ч.1.- М.: Наука, 1979.-484 с.

4. Маров М.Я. Планеты солнечной системы. М., Наука, 1986.-320 с.

5. Парниковый эффект, изменение климат и экосистемы.- Л.:Гидрометеоиздат,1989.-558 с.

6. Планета Венера (атмосфера, поверхность, внутреннее строение).- М.:Наука, 1989.-482 с.

7. Сорохтин О.Г. Парниковый эффект атмосферы в геологической истории Земли. -Докл. АН СССР, 1990, т. 315, № 3, с. 587-592.

8. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Глобальная эволюция Земли.-М.: Изд-во МГУ, 1991. 446 с.

9. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Адиабатическая теория парникового эффекта атмосферы. Вестник МГУ, сер. 5, География, 1996, №5, с. 27- 37.

10. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Эволюция климатов Земли. Электронный научно-информационный журнал "Вестник ОГГГГН РАН" № 2'97, т. 1, М.: ОНТИ ОИФЗ РАН, 1997
http://www.scgis.ru/russian/cp1251/dgggms/2-97/evol-klm.htm

11. Справочник термодинамических величин (для геологов) (авт.: Наумов г.б., Рыженко Б.Н., Ходаковский И.Л.)- М., Атомиздат, 1971, 240 с.

12. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. -М.: Изд-во МГУ, 1994.- 520 с.